Alotropia węgla: diament, grafit, grafen i fullereny
Chemia
Zestaw wyjaśnia, czym jest alotropia węgla, oraz porównuje budowę i właściwości diamentu, grafitu, grafenu i fulerenów. Uczeń przećwiczy zależności między strukturą substancji a jej twardością, przewodnictwem elektrycznym i zastosowaniami.
1.Alotropia
Występowanie tego samego pierwiastka w kilku odmianach strukturalnych, które różnią się sposobem połączenia atomów, a przez to także właściwościami fizycznymi i niekiedy chemicznymi.
2.Odmiana alotropowa węgla
Substancja zbudowana wyłącznie z atomów węgla, których wzajemne ułożenie i rodzaj połączeń różnią się od innych odmian alotropowych.
3.Diament
Odmiana alotropowa węgla, w której każdy atom węgla jest połączony silnymi wiązaniami kowalencyjnymi z czterema sąsiednimi atomami. Tworzy to sztywną, przestrzenną sieć.
4.Właściwości diamentu
Diament jest bardzo twardy, przezroczysty i nie przewodzi prądu, ponieważ jego elektrony uczestniczą w wiązaniach i nie mogą swobodnie się przemieszczać. Jest dobrym przewodnikiem ciepła.
5.Grafit
Odmiana alotropowa węgla zbudowana z warstw. W każdej warstwie atomy węgla tworzą rozległą sieć, a warstwy są połączone znacznie słabszymi oddziaływaniami.
6.Właściwości grafitu
Grafit jest miękki, szary i nieprzezroczysty. Przewodzi prąd elektryczny wzdłuż warstw, a jego warstwowa budowa umożliwia odłączanie i przesuwanie się warstw.
7.Grafen
Grafen to pojedyncza warstwa atomów węgla o strukturze odpowiadającej warstwie grafitu. Jest bardzo cienki, wytrzymały i dobrze przewodzi prąd oraz ciepło.
8.Fullereny
Odmiany węgla, których cząsteczki mają zamkniętą, pustą w środku strukturę przypominającą klatkę lub powłokę. Najbardziej znany jest fuleren .
9.Fuleren
Cząsteczka złożona z 60 atomów węgla, mająca kształt zbliżony do piłki futbolowej. Atomy tworzą układ pięcio- i sześciokątnych pierścieni.
10.Sieć kowalencyjna
Struktura, w której bardzo wiele atomów jest połączonych silnymi wiązaniami kowalencyjnymi w rozległą sieć. Taka budowa zwykle powoduje dużą twardość i wysoką temperaturę topnienia.
11.Przewodnictwo grafitu
Grafit przewodzi prąd dzięki obecności elektronów, które mogą przemieszczać się w obrębie warstw jego struktury.
12.Zastosowanie diamentu
Diament stosuje się jako kamień jubilerski oraz materiał ścierny i tnący, na przykład w wiertłach, tarczach i narzędziach do obróbki twardych materiałów.
13.Zastosowanie grafitu
Grafit wykorzystuje się między innymi w ołówkach, elektrodach, smarach stałych i materiałach odpornych na wysoką temperaturę.
14.Zastosowanie grafenu
Grafen może być stosowany w elektronice, czujnikach, materiałach kompozytowych i elementach magazynujących energię. Jego znaczenie wynika z połączenia małej grubości, wytrzymałości i przewodnictwa.
15.Zastosowanie fulerenów
Fullereny są badane i wykorzystywane między innymi w nanotechnologii, elektronice oraz w projektowaniu materiałów i nośników określonych substancji.
Notatka
Istota alotropii
Alotropia to występowanie tego samego pierwiastka w kilku odmianach strukturalnych. Odmiany te mają taki sam skład pierwiastkowy, ale różnią się ułożeniem atomów i sposobem ich połączenia. W rezultacie mogą wykazywać zupełnie inne właściwości fizyczne.
Węgiel jest przykładem pierwiastka, który tworzy wiele odmian alotropowych. W zakresie szkoły ponadpodstawowej najważniejsze są diament, grafit, grafen i fullereny.
Ważne
O właściwościach odmiany alotropowej decyduje przede wszystkim jej struktura, a nie sam fakt, że jest zbudowana z węgla.
Diament – przestrzenna sieć atomów
W diamencie każdy atom węgla jest połączony silnymi wiązaniami kowalencyjnymi z czterema sąsiednimi atomami. Powstaje sztywna, rozległa sieć przestrzenna. Silne wiązania obejmujące całą strukturę odpowiadają za bardzo dużą twardość diamentu i jego wysoką temperaturę topnienia.
Diament jest przezroczysty i nie przewodzi prądu elektrycznego. Elektrony są zaangażowane w wiązania i nie mogą swobodnie przemieszczać się po całej strukturze. Jednocześnie diament bardzo dobrze przewodzi ciepło.
Wykorzystuje się go jako kamień jubilerski, a także materiał ścierny i tnący. Diamentowe wiertła, tarcze i piły służą do obróbki bardzo twardych materiałów.
Grafit – budowa warstwowa
Grafit składa się z wielu warstw atomów węgla. W obrębie każdej warstwy atomy tworzą rozległą sieć, natomiast między warstwami działają znacznie słabsze oddziaływania. Warstwy mogą więc przesuwać się względem siebie i odłączać.
Ta budowa wyjaśnia, dlaczego grafit jest miękki, szary i pozostawia ślad na papierze. Właśnie dlatego jest składnikiem ołówków. Grafit przewodzi również prąd elektryczny, szczególnie w obrębie warstw, ponieważ w jego strukturze występują elektrony mogące się przemieszczać.
Inne zastosowania grafitu wynikają z jego przewodnictwa i odporności na wysoką temperaturę. Należą do nich elektrody, smary stałe i materiały stosowane w urządzeniach pracujących w wysokiej temperaturze.
Przykład
Diament i grafit są zbudowane wyłącznie z węgla, ale diament jest bardzo twardy, a grafit miękki. Różnica wynika z ich odmiennej budowy.
Grafen – pojedyncza warstwa grafitu
Grafen jest pojedynczą warstwą atomów węgla o strukturze odpowiadającej warstwie grafitu. Można go traktować jako dwuwymiarowy materiał, ponieważ jego grubość odpowiada pojedynczej warstwie atomów.
Grafen łączy kilka ważnych cech: jest bardzo cienki, lekki, wytrzymały oraz dobrze przewodzi prąd i ciepło. Jego właściwości wynikają z uporządkowanej sieci atomów i możliwości przemieszczania się elektronów w warstwie.
Bada się jego zastosowania w elektronice, czujnikach, materiałach kompozytowych i elementach magazynujących energię. Należy odróżniać grafen od grafitu: grafit jest zbiorem wielu warstw, a grafen stanowi pojedynczą warstwę.
Fullereny – zamknięte cząsteczki węgla
Fullereny są cząsteczkowymi odmianami węgla. Ich atomy tworzą zamknięte struktury przypominające klatki lub powłoki, często puste w środku. Najbardziej znanym fulerenem jest , którego kształt przypomina piłkę futbolową.
W cząsteczce atomy węgla tworzą układ pięcio- i sześciokątnych pierścieni. Fullereny nie mają warstwowej budowy grafitu ani przestrzennej sieci charakterystycznej dla diamentu.
Ze względu na budowę i możliwość przyłączania różnych grup atomów fullereny znajdują zastosowanie lub są intensywnie badane w nanotechnologii, elektronice oraz projektowaniu nowych materiałów i nośników substancji.
Porównanie odmian węgla
Najważniejsze różnice między odmianami wynikają z organizacji atomów:
- Diament: sztywna, przestrzenna sieć; bardzo twardy; nie przewodzi prądu.
- Grafit: wiele warstw; miękki; przewodzi prąd w obrębie warstw.
- Grafen: pojedyncza warstwa grafitowa; bardzo cienki, wytrzymały i przewodzący.
- Fullereny: zamknięte cząsteczki-klatki; przykładem jest .
W odpowiedziach maturalnych trzeba łączyć właściwość z budową. Twardość diamentu wynika z silnej sieci przestrzennej, miękkość grafitu ze słabego związania warstw, a przewodnictwo grafitu z obecnością elektronów mogących przemieszczać się w warstwach.
Zapamiętaj
Ten sam skład pierwiastkowy nie oznacza takich samych właściwości: diament, grafit, grafen i fullereny różnią się strukturą.
Quizy w tym zestawie
17 pytań w 2 etapach — odblokujesz je po dodaniu zestawu